CN101230441A - 耐低温冲击的风电变桨、偏航轴承套圈用42CrMoVNb钢 - Google Patents
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Abstract
耐低温冲击的风电变桨、偏航轴承套圈用42CrMoVNb钢。组成为C：0.42～0.45、 Si：0.15～0.30、 Mn：0.60～0.90、 Cr：0.90～1.20 、Mo：0.15～0.30、Ni：0.35～0.60 、V：0.08～0.15 、Nb：0.03～0.06、 Cu：≤0.20 、Al：≤0.05 、S： ≤0.015 、P：≤0.015 、As：≤0.015、 Sn：≤0.012 [O]：≤20PPM、 [H]：≤2.0PPM其余部分为Fe和正常的杂质。在现有42CrMo钢中增加钒V及铌Nb，细化钢组织，提高了钢在低温下的抗冲击能力。碳C含量取上限值，以利表面淬－回火后达到HRC55～60要求。炼钢中用铝Al、砷As、锡Sn、造渣、脱气，增加含量。用三个试样在－40℃时检测的冲击功Akv达91J、97J、98J，是标准值的3.37倍以上，不仅超过－45℃的要求值，经折算后，－70℃时也能满足Akv＝27J。为更低温度下要求冲击功用钢的研制开创了先例。填补了国内空白。可用于轴承和机械零部件，特别是风电变桨、偏航轴承。
Description
(一)技术领域：本发明涉及一种耐低温冲击的合金结构钢。属合金类(C22C)。可用于轴承和机械另部件，特别是用于风力发电机变桨、偏航轴承套圈。
(二)背景技术：
作为可再生能源之一的风力发电，我国拥有的储量及可开发量居世界首位，现已列入国家能源发展的国策。由于风力源地处高山、高原、海岸及近海，气温、环境差异很大，风电机组又安装在几十、上百米高的塔架上，对与机组配套所用的变桨、偏航转盘轴承，风电制造厂家提出了如下要求：20年内不得更换、大修；抗风沙，耐盐碱气候；满足±45℃的环境要求，在-45
℃下其冲击功Akv≥27J。我国新制定的JB/T10705-2007标准中，对偏航、变桨轴承套圈材料低温冲击功，在-30℃条件下规定Akv不小于27J。在上述风力发电机轴承的专用标准中，规定了：偏航、变桨轴承套圈材料采用42CrMo，其性能应符合GB/T3077-1999的规定，也可采用满足性能要求的其他材料。用户提出的在-45℃下冲击功Akv≥27J的要求，已高于JB/T10705-2007标准。为了满足用户的要求，向国内外几大特钢公司及中钢院提出订货咨询，无一家能提供钢材的化学成份及冷冲击功的数据，美国Timken及德国ThyssenKrupp两公司答应可以提供满足要求的钢材，但均不能提供详细的化学成份。
查阅国外钢材资料，德国、美国都有42CrMo的钢号。现将我国42CrMo、
西德42CrMo4、美国4140钢的化学成份列于表1 表1
| 序号 | 标准代号/钢号 | 化学成份％ | ||||||||
| C | Si | Mn | Cr | Mo | Ni | Cu | S | P | ||
| 1 | GB/T3077-1999/42CrMo | 0.38～0.45 | 0.17～0.37 | 0.50～0.80 | 0.90～1.20 | 0.15～0.25 | ≤0.30 | ≤0.30 | ≤0.035 | ≤0.035 |
| 2 | 德DIN17200/42CrMo4 | 0.38～0.45 | ≤0.40 | 0.60～0.90 | 0.90～1.20 | 0.15～0.30 | --- | ≤0.035 | ≤0.035 | |
| 3 | 美ASTM/A29M/4140 | 0.38～0.43 | 0.15～0.35 | 0.75～1.10 | 0.80～1.10 | 0.15～0.25 | ≤0.25 | ≤0.04 | ≤0.04 | |
查阅国内钢材资料，国内尚无用于风电偏航、变桨轴承套圈的专用钢材。
因此，在今年颁布实施的JB/T10705-2007标准中，只好沿用转盘轴承通用的42CrMo钢号，并指出：“也可采用满足性能要求的其他材料”。意即风电偏航、变桨轴承套圈的专用钢材，有待研发，成功了即可采用。
(三)发明内容：
本发明提出的耐低温冲击的风电变桨、偏航轴承套圈用42CrMoVNb钢，就是解决现有的合金钢42CrM不能满足风电制造厂家提出的偏航、变桨轴承套圈材料在-45℃下冲击功Akv≥27J的要求的问题。为此自行研发满足要求的新型轴承用钢提上日程。
本发明技术方案如下：
耐低温冲击的风电变桨、偏航轴承套圈用42CrMoVNb钢，其特征是它由如下组分和含量组成(按重量百分比计)：
C：0.42～0.45 Si：0.15～0.30 Mn：0.60～0.90 Cr：0.90～1.20
Mo：0.15～0.30 Ni：0.35～0.60 V：0.08～0.15 Nb：0.03～0.06
Cu：≤0.20 Al：≤0.05 S：≤0.015 P：≤0.015
As：≤0.015 Sn：≤0.012 [O]：≤20PPM [H]：≤2.0PPM
其余部分为Fe和正常的杂质。
在上述范围内组分和含量组成的优化数值方案，在实施例中描述。
上述各组分和含量对本发明提出的轴承钢42CrMoVNb性能影响如下：
1)本发明钢与表1比增加抗冷冲击的钒及铌合金，钒及铌既可细化钢的组织，又提高了钢在低温下的抗冲击能力。钢中钒V为0.08～0.15％，铌Nb为0.03～0.06％。
2)碳C含量与表1中C含量比调整至0.42～0.45％，即取0.38～0.45％的偏上限值，以利于表面淬-回火后达到HRC55～60的要求。
3)硅Si、锰Mn、铬Cr、钼Mo基本取GB/T-3077-1999原定值。
5)因铜Cu影响残留奥氏体含量，硫S、磷P影响钢的冷、热脆性，属有害元素，为保证钢材质量，故在原定值范围内取偏下值予以控制。
6)特钢厂所用的废钢中含镍Ni量较高，考虑到Ni对细化组织有利，故将原定≤0.30％调整为0.30～0.60％，检测的晶粒度为7级，比规定的5级高了2级，更加细化，说明适当增加Ni含量是有益的。
7)炼钢中要使用铝Al、砷As、锡Sn造渣、脱气，故增加了其在钢中含量的要求，同时钢中的氧、氢含量是影响材料质量的重要指标，故亦提出了要求及检测。
上述耐低温冲击的风电变桨、偏航轴承套圈用42CrMoVNb钢的冶炼方法，其特征是，包括下列步骤：
1)采用偏心炉底出钢法EBT电炉，加入炼钢生铁及废钢；
2)采用埋弧桶炉LF钢包，通入氩气Ar流量为0.1～0.5m3/分，进行炉外精炼，按加入Fe-v、Fe-Nb、Fe-Mn、Fe-Cr等合金，以调整钢的化学成分；
3)真空脱气，真空度为≤100Pa，时间≥10分，以脱去钢中[H]。
检测方法：按提出的设计要求，在特钢厂小样冶炼、测试的基础上，以电炉-炉外精炼-真空脱气的冶炼方法完成了14吨新钢种的试制、抽样化验、检测，并锻造了三种共14件的环形锻件，以用于1.5MW风电变桨轴承的试制。
本发明有益效果：
i.本发明设计研制的42CrMoVNb新钢种填补了此钢种的国家空白。测试数据表明：本新钢种不仅满足了耐-45℃低温下冲击功Akv≥27J的风电变桨、偏航轴承套圈用钢的要求，且Akv≥91J，其测试数据见表2，为更低温度下要求冲击功用钢的研制开创了先例。钢中钒V为0.08～0.15％，铌Nb为0.03～0.06％。尽管含量较少，但三个试样在-40℃的条件下检测的冲击功Akv却达到了91J、97J、98J，是标准要求值的3.37倍以上，此冲击功值不仅超过-45℃的要求，折算后，在-70℃的条件下，满足Akv＝27J也无问题。
ii.见表2，本发明新钢的力学性能、酸检、晶粒度等均达到要求。
表2
| 项目要求结果数据 | 非金属夹杂物≤X级 | 力学性能≥ | 低倍 | 酸检 晶粒度 | ||||||||
| A | B | C | D | Akv-40℃，J | σbMP | σsMPa | δs％ | ψ％ | 疏松偏析 | 偏孔、气泡、裂纹、翻皮、白点、过烧等 | ||
| 要求 | 粗系 | 1.5 | 1.5 | 1.0 | 1.0 | 40 | 700 | 450 | 16 | 40 | ≤2.0级 | 无≥5级 |
| 细系 | 2.0 | 2.0 | 1.0 | 1.0 | ||||||||
| 结果 | 粗系 | 0.5 | 0.5 | 0 | 0 | ≥91 | 835 | 550 | 22 | 64 | 合格 | 合格 7级 |
iii.本新钢42CrMoVNb可广泛用于耐低温冲击的轴承及各种机械零部件。
(五)具体实施方式：
本实施例耐低温冲击的风电变桨、偏航轴承套圈用42CrMoVNb钢，由如下的组分和含量组成(按重量百分比计)：
C：0.43 Si：0.26 Mn：0.74 Cr：1.03
Mo：0.16 Ni：0.4 V：0.10 Nb：0.045
Cu：0.08 Al：0.023 S：0.010 P：0.008
As：0.011 Sn：0.007 [O]：18PPM [H]：1.7PPM
其余部分为Fe和正常的杂质。
上述组分和含量的耐低温冲击的风电变桨、偏航轴承套圈用42CrMoVNb钢的冶炼方法，包括下列步骤：
1)采用偏心炉底出钢法EBT电炉，加入炼钢生铁及废钢；2)采用埋弧桶炉LF钢包，通入氩气Ar流量为0.1～0.5m3/分，进行炉外精炼，按上述组分和含量要求加入Fe-v、Fe-Nb、Fe-Mn、Fe-Cr等相应的合金，以调整钢的化学成分；3)真空脱气，真空度为≤100Pa，时间≥10分，以脱去钢中[H]。
Claims (2)
1.耐低温冲击的风电变桨、偏航轴承套圈用42CrMoVNb钢。其特征是它由如下的组分和含量组成(按重量百分比计)：
C：0.42～0.45 Si：0.15～0.30 Mn：0.60～0.90 Cr：0.90～1.20
Mo：0.15～0.30 Ni：0.35～0.60 V：0.08～0.15 Nb：0.03～0.06
Cu：≤0.20 Al：≤0.05 S：≤0.015 P：≤0.015
As：≤0.015 Sn：≤0.012 [O]：≤20PPM [H]：≤2.0PPM
其余部分为Fe和正常的杂质。
2.按权利要求1所述轴承套圈用42CrMoVNb钢，其特征是它由如下的组分和含量组成(按重量百分比计)：
C：0.43 Si：0.26 Mn：0.74 Cr：1.03
Mo：0.16 Ni：0.4 V：0.10 Nb：0.045
Cu：0.08 Al：0.023 S：0.010 P：0.008
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其余部分为Fe和正常的杂质。
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